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Vakuumschalter Es ist bekannt, daß die Bedingungen für das Bestehen
eines elektrischen Lichtbogens im Vakuum verhältnismäßig ungünstig sind, so daß
eine verhältnismäßig einfache Unterbrechung auch von hohen Leistungen dadurch möglich
ist, daß die Schalterelektroden innerhalb eines hochwertigen Vakuums voneinander
getrennt werden. Hierbei bildet sich ein Lichtbogen, der bei geringem Kontaktabstand
und nach kurzer Zeit erlischt.
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Nach der vorliegenden Erfindung können die Löschbedingungen für einen
derartigen Schalter dadurch erheblich verbessert werden, daß die Trennstelle der
Kontakte unter den Einfluß eines elektrischen Feldes gestellt wird. Mit besonderem
Vorteil werden die das Feld erzeugenden Elektroden hierbei derart angeordnet, daß
das elektrische Feld auf den Lichtbogen bzw. die in dem Lichtbogen wandernden Elektronen
eine Kraftwirkung etwa quer zur Lichtbogenrichtung bzw. zur Elektronenbahn ausübt.
Durch ein derartiges Feld wird eine Ablenkung der Elektronen im Lichtbogen hervorgerufen,
die nahezu augenblicklich eine Löschung des Lichtbogens zur Folge hat. Es kann auf
diese Weise der für ein sicheres Erlöschen des Lichtbogens erforderliche Abstand
auf einen geringen Bruchteil gegenüber anderen Vakuumschaltern herabgesetzt werden.
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Die Elektroden können außerhalb des Vakuumgefäßes angeordnet werden.
Besonders zweckmäßig ist es jedoch, sie innerhalb des Vakuumgefäßes in
unmittelbarer
Nähe der Kontakte anzuordnen. Hierbei kann eine derartige Elektrode, der gegenüber
einer der Hauptelektroden ein für die Erzeugung des 'elektrischen Feldes erforderliches
Potential aufgedrückt wird, beispielsweise seitlich der beiden Schaltelektroden
angeordnet werden. Eine besonders vorteilhafte Anordnung ergibt sich, wenn die Feldelektrode
ringförmig ausgebildet und konzentrisch zur Unterbrechungsstelle angeordnet wird.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt.
In Fig. i ist die Anordnung eines derartigen Vakuumschalters in einem elektrischen
Kreis schematisch dargestellt. Mit i ist hierbei eine Wechselstromquelle bezeichnet,
die auf eine Last .2 arbeitet, wobei der Stromkreis mit Hilfe eines Vakuumschalters
3 ein- und ausgeschaltet werden kann. Der Vakuumschalter besteht aus einer feststehenden
Elektrode q. und einer beweglichen Elektrode 5, die innerhalb eines vakuumdichten
Gefäßes 6 angeordnet sind, wobei die Beweglichkeit der Elektrode 5 beispielsweise
durch einen an den Behälter angeschmolzenenFaltenbalg 7 erreicht ist. Mit 8 ist
eine Feldelektrode bezeichnet, die gleichfalls vakuumdicht in das Gefäß eingeführt
ist und seitlich bis unmittelbar an die Trennstelle der Kontakte vorragt. Die Feldelektrode
ist hierbei .über geeignete Vorschaltwiderstände, die hier aus einem ohmschen Widerstand
9 und einem Kondensator io bestehen, an denjenigen Pol der Spannungsquelle angeschlossen,
der unmittelbar mit der Last verbunden ist. Auf diese Weise ist erreicht, daß von
der Spannung, die einerseits an der Feldelektrode, andererseits an den Hauptelektroden
liegt, ein elektrisches Feld hervorgerufen wird, das auf die in dem Lichtbogen wandernden
Elektronen beim Unterbrechungsvorgang eine Kraftwirkung ausübt, die etwa senkrecht
zur Elektronenbahn gerichtet ist. Auf diese Weise wird ermöglicht, bei gegebenem
Strom und gegebener Spannung mit erheblich geringerem Kontakthub eine sichere Stromunterbrechung
zu erreichen.
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In Fig. 2 und 3 sind die Elektroden in vergrößertem Maßstab herausgezeichnet,
wobei besondere Ausbildungsformen für die Feldelektroden gezeigt sind. In Fig. 2
ist diese als ein konzentrisch zur feststehenden Hauptelektrode q. angeordneter
Ring ausgeführt, der über einen Isolatorring ii an der feststehenden Elektrode isoliert
abgestützt ist und an seinem inneren Rand zu einem keilringförmigen Vorsprung ausgebildet
ist, der bis in die nächste Nähe der kegelförmigen Elektroden vorragt, so daß an
dieser Stelle ein Feld hoher Konzentration entsteht.
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Bei der Ausführungsform nach Fig.3 ist die Feldelektrode innerhalb
der hohl ausgebildeten Hauptelektrode 5 angeordnet und von dieser mit Hilfe eines
Isolierrohres 12 isoliert. Die andere Elektrode q. ist an ihrem oberen Ende gleichfalls
mit einer Bohrung versehen, in die das Ende der Feldelektrode hineinragt. Trotz
des geringen Abstandes zwischen Feldelektrode und Hauptelektrode ist ein Überspringen
des Lichtbogens auf die Feldelektrode nicht zu befürchten, da im Vakuum ein Lichtbogen
in der Regel nur zwischen Kontakten gezogen werden kann, die ursprünglich miteinander
in Berührung, stehen, wobei beim Auseinanderziehen die von den sich zuletzt berührenden
Teilen gebildete Brücke verdampft und überhaupt erst die für eine Ausbildung des
Lichtbogens im Vakuum erforderlichen Bedingungen schafft. Um aber die Sicherheit
zu erhöhen, kann, wie dies beim Ausführungsbeispiel verkörpert ist, der Anschluß
der Feldelektrode über einen Widerstand geführt werden. Der Kondensator parallel
zu diesemWiderstand hat den Zweck, zu verhindern, daß schon beim ersten Auftreffen
von Ladungsträgern ein zu hoher Spannungsabfall an dem Widerstand auftritt.
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Die Anwendung des Erfindungsgedankens ist nicht auf die dargestellten
Möglichkeiten beschränkt. Insbesondere kann- es unter Umständen zweckmäßig sein,
für die Erzeugung des Feldes eine besondere Spannungsquelle anzuordnen, für die
nur ein sehr geringer Aufwand erforderlich ist, da sie praktisch keinen Strom zu
liefern hat.
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Unter Umständen kann es zweckmäßig sein, ein derartiges zusätzliches
Feld zur Erleichterung der Lichtbogenlöschung auch bei solchen Vakuumschaltern vorzusehen,
bei denen außerdem, wie dies an sich bereits vorgeschlagen ist, ein magnetisches
Feld zur Beeinflussung des Lichtbogens vorgesehen ist. In vielen Fällen, insbesondere
wenn verhältnismäßig hohe Leistungen geschaltet werden müssen, kann es weiter auch
zweckmäßig sein, den Lichtbogen zunächst noch eine Weile bestehen zu lassen, damit
die in dem elektrischen Stromkreis enthaltene magnetische Energie sich ausgleichen
kann. Dies kann in einfacher Weise dadurch erreicht werden, daß die das Feld erzeugende
Spannung erst zu einem geeigneten Zeitpunkt nach Trennung der Hauptelektroden angelegt
wird. In diesem Fall wird also beim Unterbrechungsvorgang zunächst die bewegliche
Elektrode von der feststehenden auf einen sehr geringen Abstand gebracht, wobei
ein Lichtbogen .mit entsprechend geringer Lichtbogenarbeit zwischen den beiden Hauptelektroden
brennt. Hierauf wird das elektrische Feld zur Wirkung gebracht, wodurch der Lichtbogen
sofort gelöscht wird.
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Die Steuerung der Kontaktbewegung kann hierbei mit der Spannungssteuerung
an der Feldelektrode in geeigneter Weise gekuppelt werden, wobei der zwischen den
beiden Augenblicken - Trennung der Kontakte und Erzeugung des Feldes - . bestehende
Zeitabstand unter Umständen veränderlich gemacht werden kann. Die Einschaltung des
elektrischen Feldes kann aber auch willkürlich oder auch stromabhängig oder in Abhängigkeit
von sonstigen elektrischen Größen getrennt gesteuert werden. Weiter ist es auch
möglich, eine derartige Anordnung bei Wechselstromkreisen mit einer Synchronsteuerung
in dem Sinne zu kombinieren, daß die Kontakttrennung erst eine so kurze Zeit vor
einem Stromnulldurchgang einsetzt, daß die i Kontakte den für die Lichtbogenlöschung
erforderlichen
Abstand im Stromnulldurchgang erreichen. Gegebenenfalls
kann auch die Einschaltung des Feldes synchronisiert, beispielsweise unmittelbar
vor oder im Augenblick des Stromnulldurchganges, erfolgen.
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Es ist auf diese Weise auch möglich, Gleichstromkreise zu unterbrechen.
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In Fällen, in denen Wert darauf gelegt wird, einen Stromkreis genau
zu einem vorbestimmten Zeitpunkt zu unterbrechen, kann es gleichfalls zweckmäßig
sein, zunächst die Kontakte zu trennen und dann erst das Feld an den Elektroden
zu erzeugen. Dies hat den Vorteil, daß für die Erzeugung des Feldes, die für den
Augenblick der tatsächlichen Unterbrechung maßgebend ist, nur wenig Energie erforderlich
ist, so daß der Unterbrechungsvorgang praktisch trägheitslos in dem Augenblick,
in dem das Feld eingeschaltet wird, erfolgt. Besonderen Vorteil bietet die neue
Anordnung bei verhältnismäßig hohen Betriebsspannungen, io kV und höher, bei denen
bisher zur Unterbrechung größerer Leistungen Hochleistungsschalter mit einem verhältnismäßig
großen Aufwand erforderlich waren. Infolge der Trägheitslosigkeit ist die neue Steuerung
insbesondere auch für rhythmisch und periodisch arbeitende Schalteinrichtungen zweckmäßig,
beispielsweise in der Verwendung für Stromrichter, insbesondere auch in der Form,
daß der Unterbrechungsvorgang, inAbhängigkeit von elektrischen Größen des Kreises
selbst gesteuert, auf den günstigsten Zeitpunkt gelegt wird.